鋼箱梁頂推施工溫度梯度效應影響分析

孫 信，劉文慧，朱 季，程 興

(1. 江蘇交通控股有限公司，南京 210019；2. 蘇州市吳中長潤交通建設項目管理有限公司，蘇州 215000； 3. 華設設計集團股份有限公司，南京 210014)

鋼箱梁因其輕質高強、裝配便捷等優(yōu)點，被廣泛應用于大跨徑橋梁和城市橋梁建設中。然而鋼結構導熱性能良好，對溫度變化較敏感，當處于施工階段時鋼箱梁由于沒有鋪裝層的遮蓋，受日照作用的溫度效應影響更為顯著[1]，較大的溫度梯度容易在結構豎向產生溫度梯度效應，從而使結構產生較大溫度內力與變形[2-3]。

對于橋梁頂推施工而言，線形控制是決定施工質量的關鍵，溫度梯度作用下施工過程中的鋼箱梁梁體會產生不同方向的位移。例如東營黃河公路鋼斜拉橋施工過程中，由于日照引起梁體高度方向和橫橋向的溫度梯度，主梁高程變化2～5 cm，主梁中線偏移5 cm，嚴重影響橋梁施工精度[4]。

關于溫度梯度曲線的確定，國內外學者雖有規(guī)范依據(jù)或部分現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)[5]，但受限于地區(qū)分布范圍不同，尚不能形成統(tǒng)一的溫度梯度模式。本研究針對某大跨徑連續(xù)鋼箱梁橋頂推施工過程中關鍵工況——最大懸臂工況，在鋼箱梁不同截面高度處布置溫度測點，得到1天內各測點溫度隨時間變化情況，并擬合出最大溫差下的溫度梯度模式。使用MIDAS Civil軟件分析其在溫度梯度效應下的結構變形，討論不同時間節(jié)點溫度作用下懸臂端的豎向位移，并對比自重下的位移大小，為選擇合適的頂推施工時機提供理論指導。

1 工程概況

蘇州某市政高架項目橋梁采用三跨等高度連續(xù)鋼箱梁橋，跨徑組合為43 m+75 m+43 m，75 m中跨上跨繞城高速，將鋼箱梁節(jié)段梁場內預制后運輸至現(xiàn)場進行拼裝，為減少對所跨越繞城高速車輛正常通行的影響，中跨采用步履式頂推方法進行鋼箱梁施工。頂推臨時支墩最大間距為65 m，導梁縱向長度為39 m，導梁與鋼箱梁連接。

主跨頂推施工在夏季開展，施工過程中蘇州市當?shù)貧鉁刈罡呖蛇_38 ℃，鋼箱梁在無鋪裝狀態(tài)下長時間處于日照中，鋼箱梁表面溫度最高可達60 ℃，溫度梯度作用效應明顯。推進過程中，鋼箱梁及導梁最大懸臂狀態(tài)因自重產生較大的豎向位移，同時鋼箱梁及鋼導梁在溫度梯度荷載作用下會產生較大豎向變形，可能存在因懸臂端豎向變形過大造成導梁無法順利通過臨時墩，從而使鋼箱梁無法到達預定位置落架的情況產生。

為防止上述情況出現(xiàn)，結合現(xiàn)場溫度監(jiān)測情況，分析不同溫度梯度模式下鋼箱梁與導梁的最大懸臂端變形規(guī)律，以此選擇適當?shù)捻斖萍奥浼軙r機。

對本橋鋼箱梁在一定時間段內所測得的溫度數(shù)據(jù)進行分析，研究其豎向溫度梯度作用模式。

2 實測溫度分析

為研究鋼箱梁的溫度梯度效應作用模式，選取中跨跨中截面為溫度測試斷面[6]，鋼箱梁斷面如圖1 所示。鋼箱梁梁高為3.2 m，在中腹板上布置6個溫度測點，中腹板溫度測點布置如圖2所示(1#測點布設在頂板下緣、2#測點距1#測點100 mm、3#測點距2#測點400 mm、4#測點距3#測點600 mm，5# 測點距4#測點1 000 mm，6#測點距5#測點 1 146 mm)。

圖1 鋼箱梁斷面

圖2 中腹板溫度測點布置(單位：mm)

選取夏季某一時間段內(7月24日)典型時間節(jié)點的實測溫度數(shù)據(jù)進行分析研究，7月24日典型時間節(jié)點實測溫度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 7月24日典型時間節(jié)點實測溫度數(shù)據(jù)

3 鋼箱梁溫度梯度擬合

《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[7]對鋼箱梁溫度梯度分布規(guī)律描述較簡單，與實際情況有一定差別[8]，參考《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規(guī)范》(TB 10002.3—2005/J 462—2005)[9]規(guī)定的溫度梯度表達式，通過現(xiàn)場實測的溫度數(shù)據(jù)擬合施工階段鋼箱梁以及導梁的溫度梯度模式[1]，如式(1)所示。

T=T0e-αy

(1)

式中，T為沿腹板豎向計算點y處的溫差；T0為箱梁沿梁高最大溫差；α為指數(shù)系數(shù)。

選擇7月24日14：00的溫度曲線作為最不利狀況觀測曲線，根據(jù)規(guī)范規(guī)定的溫度梯度表達式對實測溫度數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到該時間節(jié)點的溫度梯度擬合公式，如式(2)所示。

T=26.7e-5y

(2)

擬合溫差曲線與實測溫差曲線對比如圖3所示。

圖3 擬合溫差曲線與實測溫差曲線對比

由圖3可知，擬合溫差曲線能夠包絡現(xiàn)場實測溫差曲線，溫度梯度作用計算偏安全。

4 鋼箱梁最大懸臂工況不同溫度梯度作用分析

4.1 結構建模

采用桿系模型模擬橋梁施工過程，建立全橋梁單元模型，全橋共計312個節(jié)點和315個單元，鋼箱梁為等截面形式，導梁為變截面工字鋼形式，導梁根據(jù)高度分為3種類型，分別為導梁1(高為3.146 m)、導梁2(高為2.5 m)和導梁3(高為1.6 m)，根據(jù)實際約束情況模擬主墩以及臨時墩的邊界條件，結構分析模型如圖4所示。

圖4 結構分析模型

由于鋼箱梁與導梁結構存在一定差異，對兩種結構分別施加溫度梯度荷載，以7月24日14：00 擬合的溫度曲線為例，分別在MIDAS Civil軟件的“梁截面溫度”中施加鋼箱梁與導梁的溫度梯度荷載，鋼箱梁及導梁的溫度梯度作用數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 鋼箱梁及導梁的溫度梯度作用數(shù)據(jù)

4.2 計算結果分析

按照擬合方法擬合不同時段曲線，根據(jù)擬合曲線計算不同時間節(jié)點的鋼箱梁及導梁的變形，結構自重作用下最大懸臂端變形如圖5所示；7月24日02：00擬合曲線計算的最大懸臂端變形如圖6所示；7月24日14：00擬合曲線計算的最大懸臂端變形如圖7所示。

圖5 結構自重作用下最大懸臂端變形(單位：mm)

圖6 7月24日02：00擬合曲線計算的最大懸臂端變形(單位：mm)

圖7 7月24日14：00擬合曲線計算的最大懸臂端變形(單位：mm)

7月24日最大懸臂工況端部豎向變形計算統(tǒng)計(僅考慮溫度荷載)如表3所示。

表3 7月24日最大懸臂工況端部豎向變形計算統(tǒng)計

由表3可知，最大懸臂施工工況在夏季全天的端部最大變形值差別較大，14:00最大變形可達216.1 mm(僅考慮溫度荷載)。在考慮結構自重的情況下，端部最大變形值約390 mm，變形過大會導致導梁端部無法順利通過臨時墩，從而造成鋼箱梁無法到達預定位置落架的情況產生。

對最大懸臂工況在不同時間節(jié)點下最大懸臂變形計算結果進行曲線擬合，不同時間節(jié)點下最大懸臂變形計算值如圖8所示。

圖8 不同時間節(jié)點下最大懸臂變形計算值

由圖8可知，最大懸臂施工工況宜選擇在3：00～5：00進行頂推落架，在此時間段內端部豎向變形較小，溫度梯度作用效應的影響也較小。

現(xiàn)場施工綜合考慮多種因素，選擇下午開展頂推施工，最大懸臂落架時間為16:50左右。根據(jù)理論計算分析，該時間節(jié)點溫度梯度作用下的導梁前端下?lián)狭繛?60～170 mm，考慮結構自重荷載，該時間節(jié)點導梁前端總下?lián)狭繛?35～345 mm，現(xiàn)場實測下?lián)狭考s為320 mm，存在較小偏差，該偏差處于施工可控范圍內。導梁前端落架前根據(jù)實測數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)，對臨時墩墩頂千斤頂標高進行調整，調整后的千斤頂頂面標高下降約370 mm，有較大富余量，頂推后導梁順利通過千斤頂完成落架。

通過分析與應用，總結出針對鋼結構頂推施工消除溫度梯度效應影響的方法，即參考相關規(guī)范規(guī)定的溫度梯度表達式，通過現(xiàn)場實測的溫度數(shù)據(jù)擬合出施工階段鋼結構橋梁溫度梯度作用模式，根據(jù)作用模式計算在不同時間節(jié)點下的結構變形量，給出最優(yōu)頂推施工時間節(jié)點或時間段。

此外，考慮施工現(xiàn)場實際影響因素較多，當不具備在指定時間節(jié)點或時間段施工的條件時，建議參考以上分析方法計算最大懸臂工況下的變形值，調整臨時墩墩頂千斤頂標高，滿足順利通過臨時墩并落架的需求。

5 結論

(1) 太陽輻射強度是鋼箱梁溫度梯度形成的主要因素，所研究的鋼箱梁一天內最大溫差可達26.7 ℃，無太陽輻射下梁體溫差較小。

(2) 對于無橋面鋪裝的情況，根據(jù)規(guī)范擬合的溫度梯度模式更為適用，擬合曲線可以較好地包絡實測數(shù)據(jù)。

(3) 最大懸臂端豎向位移隨溫度梯度增大而增大，其最大豎向位移超過自重作用下位移，建議導梁懸臂端部選擇在溫度梯度較小時通過臨時墩。

(4) 頂推施工落架須選擇適當時機，若不具備在指定時機頂推落架的條件，建議根據(jù)本文分析方法計算并調整不同時間節(jié)點下的變形量，保證頂推施工順利完成。